国际研究小组称，通过光谱技术首次揭示了纳米级磨损和损伤导致的硅玻璃的亚表面结构变化，这有望改进电子显示屏和汽车挡风玻璃等玻璃产品。
Seong Kim说，我小组的主要研究领域之一是玻璃表面科学，主要研究玻璃的性能、结构和机械和化学性能之间的关系，特别是机械耐久性和化学耐久性。他是宾夕法尼亚州立大学杰出化学工程教授，《材料学报》(“Subsurface structural change of silica upon nanoscale physical contact: Chemical plasticity beyond topographic elasticity”)研究的共同主要作者。我们一直使用的技术之一是振动光谱学。但对玻璃表面进行纳米级结构分析的挑战是，人们广泛使用的许多光谱学技术在这里都不起作用。
通过高光谱近场光学映射，红外光束可以显示出削弱玻璃样品的纳米级缺陷和损伤。(图片:Elizabeth Flores-Gomez Murray，宾夕法尼亚州立大学)
红外光谱只能在一定程度上检测表面缺陷。如果在玻璃表面产生的这种缺陷小于10微米，低于红外光谱的10微米波长，则无法进行正确的分析或成像。拉曼光谱等用于玻璃研究领域的分析技术在空间分辨率方面工作得更好，但仍不足以用于纳米级结构分析。
Kim的团队想要制造一种技术，来发现玻璃表面纳米级凹痕发生的结构变化。作为研究的一部分，他们用一个微小的尖端在玻璃表面压痕，可以制造几百纳米深、一到两微米宽的纳米凹痕。发现即使是在微小的损伤水平下结构的变化是很重要的，因为这些无穷小的缺陷会影响玻璃的强度。
康宁公司(Corning)生产的大猩猩玻璃(Gorilla Glass)就是一个例子，它主要用于手机等电子产品的显示玻璃，最近还用于汽车和飞机的挡风玻璃。这种玻璃在离开工厂时非常坚固，但当它到达制造商时，玻璃就变弱了。这是由于在运输过程中，纸张的接触、卡车的振动、包装物的放置以及卸货过程中经常性的碰撞等物理接触造成的微小划痕和其他损坏。缺陷可能不明显，但它们足以削弱玻璃性能。
此外，玻璃也会被腐蚀。这种腐蚀不同于金属腐蚀。在玻璃腐蚀中，玻璃表面失去了部分组成元素，玻璃的化学性质发生变化，也会使玻璃变弱。
那么，如何描述这种无形的结构损伤呢?Kim说，这是玻璃科学的一个非常重要的领域，因为理论上，玻璃应该和钢一样坚固。但玻璃的强度不如钢，主要原因之一是表面缺陷。
当Kim的团队在玻璃上留下超微小的凹痕时，他们想看看由于玻璃的损坏，凹痕内部和周围会发生什么样的结构变化。
因此，由于凹痕的最大尺寸只有几微米，我们需要高空间分辨率的红外光谱技术来表征这一点，Kim说。
为了克服这一挑战并“看到”玻璃的损伤，Kim联系了他的同事Slava V. Rotkin，他是宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学的前沿教授，他使用了一种新的仪器技术，称为“高光谱近场光学测绘”。该技术提供了光学光谱分辨率和高空间分辨率，并使用了德国纳米成像和光谱仪器公司Neaspec gmh制造的散射扫描近场光学显微镜。
直到最近，像Seong这样的研究要么是间接的，因为你不能真正对发生在纳米尺度上的微小事物进行成像，要么它们将接触到原子或分子等物理物质，而不是光学特性，Rotkin说，所以，我们的仪器非常独特，因为它可以让你在非常小的尺度上进行光学研究，这在过去是不可能的。
玻璃主要是氧化硅，原则上与手表中的沙子或水晶石英相同，但存在明显的差异：缺陷的程度。沙子就像一种有着许多表面缺陷的石头，水晶石英是一种完美的水晶，而玻璃则介于两者之间。这使得在纳米尺度上很难“看到”玻璃，因为有太多的不均匀性。但是，高光谱近场光学测绘技术使研究人员能够聚焦并观察划痕对玻璃的影响，甚至超越了地形损伤。
这就像从上面俯瞰一片大森林，有很多很多的树木、灌木丛、蘑菇、花朵等等，你不知道到底该看什么，Rotkin说，学生在玻璃上留下了划痕，然后你看到这些划痕，很有趣，而且很显眼，就像如果你在森林里砍伐树木，开辟出一片空地，就会很显眼。当你清除树木的时候，它可能会把灌木推到地上，由于某些损伤，它会以某种方式改变树叶的颜色。也许你用的观测仪器看不到这些，但用我们的仪器，你就能看到单个灌木，不仅如此，还能看到叶子变红了。
这是玻璃科学的重要一步。我们发表的论文原则上为了解这些玻璃不均匀性是如何发生的，以及其背后的物理原理提供了新的途径，Rotkin说，我们看到有机械变化，划痕正在产生物理变化，化学变化和光学性能的变化。这非常有趣。
理解这一点很重要，因为精度对许多类型的设备都很重要。火星探测器上的照相机可以测量火星表面的光谱特性，但玻璃上的划痕不仅会影响光学特性，还会影响机械和化学特性，这对真正精确的测量很重要。此外，手机摄像头玻璃上的纳米划痕不仅会改变透明度，还会改变颜色编码，导致照片质量较低。
Kim说，这项研究更多的是了解玻璃发生了什么，这是我们以前从未做过，没有了解过的，一个过程或产品可以通过试验和错误来改进。但更好的方法是基于知识的开发或处理。所以，如果我们不能理解物理接触造成了什么样的缺陷，我们如何使玻璃表面更好，更完美，更耐用，无论是机械上还是化学上。
有了这些信息，Kim相信玻璃科学很有可能取得新的进展。
通过了解使用这种技术的多组分玻璃材料的纳米表面损伤，我们可以显著提高我们对玻璃科学的基本理解，Kim说。
